扫描式超高频局部放电检测法研究

崔 婷，逄 凯

(重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123)

0 引言

局部放电检测是电力设备绝缘检测的重要手段。局部放电检测不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现因制造、安装导致的设备缺陷，确定绝缘故障原因及严重程度。目前测量局部放电的方法有耦合电容法、光电法、气体分析法、超高频法、超声波法等。其中超高频局部放电检测技术近年来得到较快发展，在GIS、变压器、开关柜等电力设备中得到广泛应用。尤其是由于GIS的结构为超高频检测提供了极为有利的条件，电磁波在其中以波导的方式传播，有利于局部放电信号的检测，因而该方法在GIS局部放电在线检测中占有重要地位［1，2］。

超高频法的基本原理是通过超高频天线，耦合高压电气设备局部放电发射的超高频电磁波信号，通过天线和滤波模块的配合，采集存储300MHz～3000MHz范围内的一个相对较窄的频段，以避开常规电气法中难以避开的干扰。与其他局放检测方法相比，超高频法具有灵敏度较高、抗干扰能力较强、可识别故障类型及进行定位等优点［3-5］。

目前常规的超高频法难点在于信号采集，对于局放信号采集方式一般采用两种方法。第一种是频谱分析。UHF信号频谱带宽高达GHz，采用频谱仪对UHF信号实施频谱分析的方法直接对UHF原始信号进行采样，可以得到放电信号的波形，但工程运用中干扰成分较多、成本较高、数据量庞大，不适合对现场的设备进行在线监测，仅用于实验室研究。第二种是包络检波法。利用超高频包络检波电路提取GIS局部放电的超高频信号包络，并采用高速数据采集系统采样，能够获取比峰值检波更多的局部放电信号特征。该方法大大降低了采样速率和数据量，同时几乎保留了局部放电的所有细节。但因检波电路参数选择的影响［6］，可导致数据失真。

本文从扫描式超高频监测法的原理入手，设计其系统方案，并通过实验，验证该方法的有效性。

1 扫描式超高频监测法

1.1 扫描式超高频法的基本原理

在工频高压作用下，电气设备的局部放电的发生是具有工频周期性的，稳定的局部放电具有放电连续性、放电幅值波动不大、放电相位区间集中等特点。利用该特征，通过一个可调电平比较器对放电信号进行比较扫描，连续统计多个工频周期的放电信号，结合算法最后提取局部放电的放电特征量及φ-q-n三维谱图。

图1为经过滤波放大后示波器采集到的局部放电信号(横轴2ms/div)。

图1 扫描式系统采集原理

局部放电发生时，可扫描到一些峰值较高的放电脉冲，通过统计，可以估算出局部放电的脉冲幅值。比较电平可通过程序控制，设定比较电平使其从低到高一直增加，若多次增大比较电平均没有扫描到放电脉冲，则程序停止扫描。每个比较电平下须进行连续50、100个工频周期的比较存储并累加。为保证局部放电的相位区间特性，每次比较都必须在工频电压过“0”点触发，且分配给每个相位区间固定的存储地址。例如，设定比较电平为250mV，并将每个工频周期划分为10个相位区间，当可编程门阵列(FPGA)在比较第n+1个工频周期时，将0°～36°区间内大于250mV的脉冲个数与前n个工频周期该区间上所累加的个数相加，并覆盖保存在地址D1，36°～72°区间大于250mV的脉冲个数也累加，并覆盖保存与该区间固定分配的地址D2，以此类推将各自相位区间上的累加脉冲个数存于相应分配的地址，最后可得到大于250mV比较电平的各个相位区间上的总脉冲个数。只要将比较电平改变的步进设定得足够小，工频周期分成更多的相位区间，比较电平将趋近于放电脉冲最大值。最后可以较准确地统计出放电平均峰值、放电相位区间、放电次数，并绘制出φ-q-n三维谱图。

1.2 信号预处理

UHF法外置天线传感器是通过检测盆式绝缘子缝隙泄漏出的电磁波来检测局放信号，此局部放电信号非常微弱，且干扰主要集中在低频段，故用前置放大滤波器与天线传感器共同组成超高频检测系统，以增加信噪比和局部放电的检测灵敏度。同时，UHF法的测量频率范围为 0.3～3GHz，而大于1GHz的局部放电信号较弱，故设计滤波单元的工作频带为0.3～1.5GHz，放大器的放大倍数有20dB和40dB两个等级可供选择。

1.3 φ-q-n谱图的获取

根据上述方法得到100个工频周期内、每级比较电平下、每个相位区间的相应的脉冲数，便可获得脉冲电平、相位区间以及放电脉冲数三者之间的关系。而脉冲的电平与其局部放电量有着紧密的关系，因而也可以间接得到局部放电量、相位区间、放电脉冲数的关系，继而得出φ-n，φ-q，φ-q-n放电谱图。

2 扫描式超高频局部放电监测系统方案

2.1 超高频天线传感器

影响局部放电检测的外部噪声频率范围一般从几kHz到几十MHz，而局部放电信号为1～2 ns的单脉冲，频率高达1GHz以上，因此在强噪声环境中检测局部放电信号时，超高频传感器有较大优势。

常用的UHF传感器一般有内置式和外置式。内置传感器有较高的灵敏度，但对于制造安装的要求较高。相对于内置传感器，外置传感器的灵敏度要差一些，但安装灵活、不影响系统的运行、安全性较高，因而也得到了较为广泛的应用［7］。

该方案采用了外置式Hilbert分形天线。小型化Hilbert分形天线依据Hilbert分形曲线设计而成，通过优化天线的几何结构及参数，使天线最低谐振频率处于局部放电超高频检测频带中，从而可检测电气设备的局部放电［8-10］信号。

2.2 脉冲信号的采集系统

超高频局部放电扫描式监测系统，其硬件部分主要包括扫描式智能模块、信号调理模块、分形天线传感器、触发装置及监控主机等。图2为扫描式在线监测系统智能组件单元框架图。

图2 扫描式在线监测系统智能组件单元框架图

该方案采用了ADCMP567超快型电压比较器，脉冲宽度200ps，可实现局放脉冲信号的采集与比较。现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrays，FPGA)主要实现脉冲数的统计功能。系统工作时首先通过天线传感器耦合电气设备的局部放电脉冲信号，选择多路选择开关其中一路，将耦合的局部放电电磁波信号通过滤波单元进行信号预处理，再通过放大单元将局部放电脉冲信号放大后输入比较器。比较器另一端的比较电平由PC机控制FPGA设置，FPGA和PC机之间的通信采用以太网接口标准协议。FPGA接收比较电平信号后，通过D/A转换电路将比较电平转换成模拟信号输入至比较器作为比较器的阈值。

设定的比较电平与信号进行比较时，比较器输出高低电平，FPGA存储高于比较电平的脉冲个数。同时FPGA将每个工频周期等分为n个相位区间，每个相位区间通过FPGA分配一个存储地址，最后实现m个工频周期的累加。工频信号可提供给FPGA一个上升沿过“0”的外触发信号，这样每个周期存储在每个相位存储地址上的数据便可对应，使局部放电的相位特性能得到完好地保持。

扫描单元在工频高压的上升沿过“0”点触发，需采集高压端上的工频电压信号。而直接从高压端引线获取信号，容易损坏设备且操作困难。由于母线上的高压频率与变电站供电的频率很接近，工程上可用220V供电电压的过0点作为触发。本系统采用的触发获取方法如图3所示，利用电量隔离传感器直接从220V交流电插座上获取信号，将220V的交流电压降为频率不变的5V交流电压信号。然后通过过0点比较器将交流信号转换为方波信号，方波上升沿作为触发。

图3 外触发原理图

利用Matlab软件编写对FPGA读入参数及读出采集数据的函数，根据FPGA的工作流程及其数据的格式，编写Matlab程序，从而可由采集到的数据直接进行处理并画出放电谱图。

图4 局部放电超高频采集系统

2.3 φ-q-n放电谱图的绘制

采用Matlab软件向FPGA输入相关控制参数，包括参考电平、采集周期数、相位区间数、IP地址以及触发方式，控制脉冲信号与参考电平的比较。然后，从FPGA读取比较后的数据结果。最终，处理采集到的数据，并根据处理后的数据结果绘制φ-n，φ-q，φ-q-n放电谱图。

Matlab编程的流程图5所示。

图5 放电谱图获取流程图

3 局部放电试验研究及特征量提取

3.1 实验平台

图6所示为实验室内扫描式系统实验平台接线图。试验选择针——板典型放电模型模拟局部放电。图中位置10处为分形天线传感器。12为智能扫描式采集单元盒，该单元盒分上下两层，底层为信号的放大滤波模块，顶层为以FPGA为核心的集成电路，可实现信号扫描、数据存储等功能。示波器接两路信号:一路为脉冲电流传感器过来的信号;另一路为由分形天线接收并放大滤波后的信号。

图6 试验平台

3.2 实验结果

研究人员将扫描式系统采集的信号与脉冲电流法所采得的信号进行了对比。

图7是示波器检测到的放电信号，其中C1(100mv/div)通道输出扫描式系统滤波放大后的超高频信号，C2(20mv/div)通道输出脉冲电流法的信号。由图可见，发生局部放电时，超高频法和脉冲电流法均可检测到放电信号，且检测到的放电信号时间上具有一致性。通过放大滤波后的超高频信号幅值明显比脉冲电流法的信号要高，这有利于信号幅值的提取和判断分析。

图7 脉冲电流法和UHF监测局放信号对比图

试验系统中，变压器油中针——板放电模型的针电极与板电极之间相距2mm，通过逐渐增加试验电压U直到测到局部放电信号，并利用Matlab采集、处理及绘制谱图程序，最终获得了φ-n、φ-q二维谱图及φ-q-n三维谱图，及相应的实验数据。

图8 φ-n谱图(U=23kV，参考电平100mV)

图9 φ-q谱图(U=23 kV，参考电平100mV)

图10 φ-q-n放电谱图(U=23 kV，参考电平100mV)

4 结论

1)局部放电超高频扫描式在线监测系统，不需要A/D采集卡，即可实现超高频放电信号的特征量提取与局部放电φ―q―n谱图的获取。系统实现信号就地数字化，避免信号的衰减。

2)通过新型局部放电超高频扫描式测量方法获取的局部放电特征量所绘制的φ―q―n谱图，同脉冲电流法获取的放电三维谱图结构一致，证明该系统同样能达到检测和模式识别的作用。

3)局部放电超高频扫描式在线监测系统能够长时间连续地采集超高频放电信号，实现对变压器、GIS、高压开关柜、发电机等高压电器设备局部放电的在线监测。

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